支雷虎，李糧綱

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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地震地下流體觀測(cè)井水文地質(zhì)參數(shù)的確定

支雷虎，李糧綱

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

[摘要]地下流體觀測(cè)是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的一項(xiàng)重要工作。地震地下流體觀測(cè)井通常為承壓?jiǎn)尉?，需要通過(guò)單井試驗(yàn)確定觀測(cè)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。在湖北省武漢和黃梅地震地下流體觀測(cè)井分別進(jìn)行了非穩(wěn)定流水位恢復(fù)試驗(yàn)和微水試驗(yàn)，確定了觀測(cè)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，取得了較好的效果。鑒于滲透系數(shù)K反映了含水巖層的物理狀態(tài)，建議將其動(dòng)態(tài)變化納入地震地下流體的監(jiān)測(cè)體系。

[關(guān)鍵詞]地震監(jiān)測(cè)；地下流體觀測(cè)；水文地質(zhì)參數(shù)；水位恢復(fù)試驗(yàn)；微水試驗(yàn)

我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家。地震災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、影響面廣，爭(zhēng)取震前預(yù)防預(yù)報(bào)是減輕震災(zāi)的有效途徑。1966年邢臺(tái)寧晉7.2級(jí)地震發(fā)生后，我國(guó)開(kāi)展了以水文地質(zhì)學(xué)和水文地球化學(xué)為基礎(chǔ)學(xué)科的地震地下流體觀測(cè)研究。地震分析預(yù)報(bào)人員利用地下流體物理(水位、水溫等)和化學(xué)(水氡、CO2等)指標(biāo)的異常，對(duì)大陸發(fā)生的某些強(qiáng)震做出了較準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。據(jù)中國(guó)地震局有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，地下流體觀測(cè)網(wǎng)為成功預(yù)測(cè)破壞性地震提供的依據(jù)居測(cè)震之外的各類前兆學(xué)科之首[1-2]。湖北省“十一五”期間，在地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)方面投入了近1億的資金，全面提升了地震臺(tái)網(wǎng)的軟硬件，其中包括多處地下流體觀測(cè)井的建設(shè)和改建[3]。

1非穩(wěn)定流水位恢復(fù)試驗(yàn)

1.1原理及計(jì)算方法[7]

假設(shè)承壓含水層側(cè)向邊界離井很遠(yuǎn)，邊界對(duì)研究區(qū)的水頭分布沒(méi)有明顯影響，可以看作是無(wú)外界補(bǔ)給的無(wú)限含水層。以定流量持續(xù)一段時(shí)間抽水，抽水量完全來(lái)自于含水層的貯存，降深隨抽水時(shí)間持續(xù)變化，形成非穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。Theis(1935)給出了無(wú)外界補(bǔ)給的承壓水完整井定流量非穩(wěn)定流降深問(wèn)題的解：

(1)

(2)

式中：s為距抽水井距離r處t時(shí)刻的水位降深(m)；Q為抽水井流量(m3/d)；T為含水層導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)；r為計(jì)算點(diǎn)到抽水井距離(m)；t為抽水持續(xù)時(shí)間(d)；S為含水層貯水系數(shù)(無(wú)量綱)；a=T/S，為含水層導(dǎo)壓系數(shù)(m2/d)；W(u)為與r、t、a有關(guān)的井函數(shù)。

當(dāng)u≤0.01時(shí)(即t≥25r2S/T)，井函數(shù)可近似為：

(3)

其相對(duì)誤差不超過(guò)0.25%；則Theis公式可以近似表示為：

(4)

式(4)稱為Jacob公式。

如不考慮水頭慣性滯后動(dòng)態(tài)，水井以流量Q持續(xù)抽水tp時(shí)間后停抽恢復(fù)水位，那么在某一時(shí)刻(t>tp)的剩余降深(s'，原始水位與停抽后某時(shí)刻水位之差)，可理解為以流量Q繼續(xù)抽水一直延續(xù)到t時(shí)刻的降深和從停抽時(shí)刻起以流量Q注水t'(t'=t-tp)時(shí)間的水位抬升的疊加，兩者適用于Theis公式，當(dāng)u≤0.01時(shí)(即t'≥25r2S/T)，有：

(5)

式(5)表明，s'與lg(t/t')呈線性關(guān)系，利用水位恢復(fù)資料繪制s'-lg(t/t')曲線，其直線段斜率i=0.183Q/T，即可計(jì)算導(dǎo)水系數(shù)T。如已知停抽時(shí)刻tp的水位降深sp，根據(jù)Jacob公式即可計(jì)算導(dǎo)壓系數(shù)a和貯水系數(shù)S。

圖1　水位恢復(fù)試驗(yàn)s'-lg(t/t')曲線

1.2實(shí)例應(yīng)用

湖北省武漢地震地下流體觀測(cè)井深度為316 m，承壓含水層厚74.6 m，成井后穩(wěn)定水位埋深13.8 m。含水層巖性為細(xì)粒石英砂巖，上覆泥巖，下伏泥質(zhì)粉砂巖，井孔為完整井。抽水試驗(yàn)過(guò)程如下：

(1)抽水前將深井潛水泵下入井中，使用電測(cè)水位計(jì)測(cè)量穩(wěn)定水位埋深并記錄；

(2)試抽2 min發(fā)現(xiàn)井中水位下降較快，試抽后等待水位恢復(fù)至穩(wěn)定；

(3)開(kāi)啟抽水泵并同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，每0.5 min測(cè)量記錄一次水位，每2 min測(cè)量記錄一次流量；

(4)抽水持續(xù)13 min時(shí)，井中水位降深達(dá)33.9 m，此時(shí)停抽恢復(fù)水位，觀測(cè)記錄水位每回升1 m的時(shí)間。

由剩余降深、抽水持續(xù)時(shí)間、水位恢復(fù)時(shí)間數(shù)據(jù)繪制s'-lg(t/t')曲線，結(jié)果見(jiàn)圖1。取直線段一個(gè)周期的Δs'，即為其斜率，i=25.8，由式(5)可知i=0.183Q/T，計(jì)算得含水層導(dǎo)水系數(shù)T =0.613 m2/d，由T=KM(M為含水層厚度)可得含水層滲透系數(shù)K = 8.22×10-3m/d。

1.3分析與討論

非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)不要求水流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，特別適用于抽水過(guò)程不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)或需要很長(zhǎng)時(shí)間才可能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的含水層，適用范圍較廣。相對(duì)于穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，抽水過(guò)程需要的設(shè)備簡(jiǎn)單，抽水時(shí)間短。單孔非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)避免了穩(wěn)定流試驗(yàn)中需借助經(jīng)驗(yàn)公式試算影響半徑R的誤差。

在上例地下流體觀測(cè)井抽水實(shí)踐中，觀測(cè)含水層透水性較差，抽水時(shí)間較短時(shí)即產(chǎn)生較大降深，停抽后水位恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。水位恢復(fù)試驗(yàn)適用于這種低透水性、抽水時(shí)間短而恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的情形。由圖1可以看出，s'-lg(t/t')曲線形態(tài)良好，直線段擬合明確，求解過(guò)程清晰。

在應(yīng)用單井非穩(wěn)定流水位恢復(fù)試驗(yàn)確定參數(shù)的過(guò)程中，也存在著以下問(wèn)題：

(1)水位恢復(fù)過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，是否能簡(jiǎn)單地理解為以定流量Q持續(xù)抽水和以定流量Q注水的疊加過(guò)程；

(2)取s'-lg(t/t')曲線的直線段進(jìn)行參數(shù)求解，有主觀誤差，忽略了水位恢復(fù)初期的數(shù)據(jù)。

2微水試驗(yàn)

2.1原理及計(jì)算方法[8-9]

微水試驗(yàn)(Slug test)是指抽取已知體積的水后孔內(nèi)的壓力恢復(fù)或注入已知體積的水后孔內(nèi)壓力減小的過(guò)程，也稱為定容積瞬時(shí)抽(注)水試驗(yàn)。對(duì)于定容積抽水，瞬時(shí)抽水后井中水位下降，計(jì)此時(shí)水位降深為H0。然后含水層的水流入抽水井，水位開(kāi)始回升，記錄t時(shí)刻井中水位降深(相對(duì)于天然水位)Ht。定容積瞬時(shí)抽水過(guò)程示意圖見(jiàn)圖2。在零時(shí)刻Ht/H0=1，隨時(shí)間增加Ht/H0趨近于0，水位完全恢復(fù)。

圖2　承壓含水層定容積瞬時(shí)抽水過(guò)程示意圖

對(duì)無(wú)越流承壓含水層完整井孔，Cooper等(1967)提出了非穩(wěn)定流的微水試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，水位變化可表示為?/p>

(6)

式中：H0為瞬時(shí)抽(注)水后井中水位下降(或上升)的最大值(cm)；Ht為t時(shí)刻井中水位下降(或上升)值(cm)；rc為井套管半徑(cm)；rs為井濾管半徑(cm)；t為水位恢復(fù)的時(shí)間(s)；T為含水層導(dǎo)水系數(shù)(cm2/s)；S為含水層貯水系數(shù)(無(wú)量綱)。

將實(shí)測(cè)Ht/H0-Tt/rc2數(shù)據(jù)繪制的曲線與F(η,μ)-η標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合以求解。當(dāng)μ值較小時(shí)，曲線形態(tài)相似，很難完全擬合，導(dǎo)致配線誤差，因此計(jì)算的貯水系數(shù)S有所誤差。這使得這種配線方法很少使用。

Hvorslev(1951)的方法因其更為簡(jiǎn)單明確而應(yīng)用廣泛，完整井和不完整井均適用。將微水試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)投影到半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，其中Ht/H0對(duì)應(yīng)對(duì)數(shù)尺度坐標(biāo)，時(shí)間t對(duì)應(yīng)等差尺度坐標(biāo)，二者呈直線關(guān)系。如果抽水區(qū)(或注水區(qū))長(zhǎng)度超過(guò)濾管半徑的8倍(L>8rs)，可用下式計(jì)算含水層滲透系數(shù)K：

(7)

式中：rc為井套管半徑(cm)；rs為井濾管(含填礫厚度)半徑(cm)；L為抽水區(qū)(或注水區(qū))長(zhǎng)度(cm)；t37為水位上升(或下降)至初始變化量37%時(shí)的時(shí)間(s)。

2.2實(shí)例應(yīng)用

湖北省黃梅地震地下流體觀測(cè)井深度為421 m，揭露的承壓含水層厚68.6 m，成井后自流。含水層巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，方解石脈發(fā)育，巖心較破碎；上覆粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，可視為不透水層。由于井孔為承壓水不完整井，因而采用微水試驗(yàn)的Hvorslev方法確定含水層滲透系數(shù)。微水試驗(yàn)過(guò)程如下：

(1)地下流體觀測(cè)井成井后承壓自流，因此在井口上方再接一根套管，觀測(cè)記錄其中穩(wěn)定靜水位；

(2)利用鉆具從井中快速提取一定體積的水，觀測(cè)記錄取水后水位降深值H0、t時(shí)刻水位降深值Ht。

將觀測(cè)數(shù)據(jù)投影到半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，Ht/H0對(duì)應(yīng)對(duì)數(shù)尺度坐標(biāo)，時(shí)間t對(duì)應(yīng)等差尺度坐標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)圖3。抽水井套管半徑rc為57.5 mm，濾管半徑(含填礫厚度)rs為75 mm，濾管長(zhǎng)度(即為抽水區(qū)長(zhǎng)度)L為68.6 m，由圖3可得水位上升至初始變化量37%時(shí)的時(shí)間t37為118 s。以上數(shù)據(jù)帶入式(7)并注意單位換算，計(jì)算可得含水層滲透系數(shù)K=1.20×10-1m/d。

2.3分析與討論

微水試驗(yàn)不需要水泵等抽水裝置，試驗(yàn)所需時(shí)間短，對(duì)含水層的擾動(dòng)小，特別適用于野外簡(jiǎn)單條件下進(jìn)行。微水試驗(yàn)具有多種試驗(yàn)方法和計(jì)算模型，適用于低到中高滲透性的含水介質(zhì)。

在上例地下流體觀測(cè)井實(shí)踐中，抽水井承壓自流，需先確定其穩(wěn)定靜水位。在野外條件有限的情況下進(jìn)行了微水試驗(yàn)，由于井孔為不完整井，采用Hvorslev方法確定含水層滲透系數(shù)。由圖3可見(jiàn)投影后數(shù)據(jù)的直線關(guān)系清晰，求解過(guò)程簡(jiǎn)明。

微水試驗(yàn)由于其影響范圍小、試驗(yàn)時(shí)間短，求取的滲透系數(shù)僅代表了抽水井孔附近的含水層情況，在非均質(zhì)含水層中具有局限性。

圖3　微水試驗(yàn)Ht/H0-t曲線

3結(jié)語(yǔ)

(1)地震地下流體觀測(cè)井通常為單井，觀測(cè)含水層通常為承壓含水層，需要利用單井抽水試驗(yàn)資料確定水文地質(zhì)參數(shù)。對(duì)于單井抽水試驗(yàn)，采用非穩(wěn)定流水位恢復(fù)試驗(yàn)和微水試驗(yàn)方法確定含水層參數(shù)，能避免穩(wěn)定流試驗(yàn)中經(jīng)驗(yàn)公式試算影響半徑R的誤差。

(2)湖北省武漢和黃梅地震地下流體觀測(cè)井分別進(jìn)行了非穩(wěn)定流水位恢復(fù)試驗(yàn)和微水試驗(yàn)，參數(shù)求解過(guò)程中曲線擬合明確，表明觀測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)方法吻合較好，求得兩處觀測(cè)含水層的滲透系數(shù)K分別為8.22×10-3m/d和1.20×10-1m/d。

(3)含水層滲透系數(shù)K受巖層的孔隙或裂隙的大小、多少、連通程度等影響，隨含水介質(zhì)狀態(tài)的變化而改變，因此建議將滲透系數(shù)K的動(dòng)態(tài)變化納入地下流體的監(jiān)測(cè)體系，以反映地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)引起的含水巖層物理狀態(tài)變化。

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Hydrogeological parameters determination for Observation aquifer of seismic underground fluid

ZHI Lei-hu，LI Liang-gang

(College of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, , Hubei, China)

Abstract:Observation of underground fluid is important work of seismic monitoring and prediction. Observation well of seismic underground fluid is usually a single borehole in a confined aquifer, so we determine hydrogeological parameters of the observation aquifer just by a single-well pumping test. We applied unsteady flow pumping-recovery test and slug test to two observation wells of seismic underground fluid in Wuhan and Huangmei, Hubei Province, and achieved good results. The hydraulic conductivity K reflects the physical state of the aquifer, so we suggest it to be added to the seismic underground fluid monitoring system.

Key words:Seismic monitoring；observation of underground fluid；hydrogeological parameters；pumping-recovery test；slug test

[中圖分類號(hào)]P641.72

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)02-0029-03

[作者簡(jiǎn)介]支雷虎(1990-)，男，河南新蔡人，在讀碩士研究生，主攻方向：地質(zhì)工程。

[收稿日期]2015-12-09